紅谷田水庫水情測報系統(tǒng)的設計研究

(1.保山學院信息學院，云南 保山 678000； 2.云南省施甸縣水務局，云南 保山 678200； 3.云南省施甸縣應急管理局，云南 保山 678200)

1 引 言

紅谷田水庫位于怒江右岸支流施甸河中游，坐標為東經(jīng)99°12′38″，北緯24°49′2″。壩址以上控制面積50.5km2，流域平均海拔2063m。該水庫是一座具有農業(yè)灌溉和農村人畜飲水功能的綜合性水利樞紐工程，總庫容1190.3萬m3，壩高85.7m，水庫工程等別為Ⅲ等，水庫規(guī)模為中型。核心建筑物有大壩、溢洪道、輸水隧洞。其中，大壩壩型為黏土心墻堆石壩，壩高85.7m，大壩為2級建筑物，溢洪道、輸水隧洞等主要建筑物為3級。

該流域屬于中亞熱帶季風性氣候區(qū)，每年6—10月氣溫較高、雨量充沛、降水日數(shù)多，降水量約占全年降水量的72%。其中，6—8月約占全年的49.9%。洪水由暴雨形成，發(fā)生時間和暴雨對應，常常發(fā)生在7—9月，屬典型的山區(qū)性小河流，洪水歷時一般在24h以內。據(jù)史料記載：1973年、1976年、1983年該流域上游的小(1)型水庫曾發(fā)生過垮壩、下游官市河曾發(fā)生決口等險情。通過建立紅谷田水庫水情測報系統(tǒng)，不僅可以加強水資源利用決策的科學性和主動性，還可以提高水庫運行管理的應變能力和水資源配置水平。其不僅是水庫運行管理的重要措施，也是水文預報、防汛抗旱、最嚴格水資源管理的主要依據(jù)。

2 紅谷田水庫水情測報系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)任務

紅谷田水庫水情測報系統(tǒng)的主要任務是通過運用遙測、通信和計算機等先進技術，實現(xiàn)水文信息的自動傳輸、處理和預報，從而為該水庫的經(jīng)濟、安全運行管理提供決策依據(jù)。通過水情測報系統(tǒng)的建設，相關人員能準確地掌握水庫流域的雨情，并根據(jù)預報信息提前知曉水庫的入庫水量，從而提前預泄水量，以保障水庫在運行過程中的安全性。同時，通過不斷積累水情資料，適時復核水庫水文成果，可為科學制定調度方案提供更可靠的水文資料。

2.2 系統(tǒng)功能

紅谷田水庫水情測報系統(tǒng)的設計基于現(xiàn)有已建水庫運行成果，并結合了紅谷田水庫的工程實際。系統(tǒng)的主要功能有實時采集、數(shù)據(jù)存儲、人工置數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與接收。同時，還可形成各類文件、報表等。此外，系統(tǒng)還具備報警功能。該功能可分為要素越限、電源欠壓以及設備事故的報警三種類型。系統(tǒng)的網(wǎng)絡設計綜合考慮了與國家、省防汛水調網(wǎng)的連接，網(wǎng)絡設計需具有可擴展性及先進性。水情測報系統(tǒng)軟件包含數(shù)據(jù)采集、通信接收、數(shù)據(jù)存儲、水情界面等功能模塊。該系統(tǒng)軟件運行在分中心站的水情采集工作站上，以 Microsoft SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫，能夠通過隨時或定時的方式來讀取遙測站傳輸過來的信息。該系統(tǒng)可對相關的數(shù)據(jù)進行存儲和整理，同時繪制出相關的圖表并具備打印和傳輸?shù)墓δ?。其基本特點如下：

a.遙測站無人值守，具備良好的防雷能力。即使在暴雨、洪水等較為嚴酷的條件下仍可持續(xù)穩(wěn)定工作。

b.遙測站采用太陽能板及蓄電池進行供電，遙測設備具備超短波、GPRS等多種通信方式。

c.包含自檢的能力，能夠監(jiān)測電源電壓。同時，遙測站能夠進行GPRS通信。

d.自動測報站可在溫度范圍為-15～ 50℃、相對濕度小于95%的條件下正常運行。同時，可以連續(xù)工作至少6個月。

2.3 水情測報系統(tǒng)站點布設及組成

根據(jù)《水文自動測報系統(tǒng)技術規(guī)范》(SL 61—2015)的要求與洪水預報、調度的需要來布設整個系統(tǒng)的遙測站點。水情遙測站包括水位站、雨量站及雨量水位站，系統(tǒng)架構見圖1。在流域現(xiàn)有的水文和報汛站網(wǎng)的基礎上，以滿足控制測區(qū)水、雨情變化和預報、調度的需要為目標來布設遙測站網(wǎng)。遙測站點的布置原則如下：

a.原有水文、水位、水庫站不變更其位置。

b. 雨量站的設置首先要符合通信的要求，其次所設置的位置在將來應能夠獲取到具有代表性的歷史降水資料。

c. 若所設置的兼具控制降水量長期變化規(guī)律功能的代表性雨量站所處位置的通信條件較為惡劣，可以就近重新建立一個站點。

d.對于無人值守的遙測站，應設置在交通便捷便于后期維護的位置。

e.根據(jù)《水位觀測標準》(GB/T 50138—2010)中的細則來確定測井與水庫上游、下游水位遙測站所處的位置。

圖1 水情測報系統(tǒng)架構

紅谷田水庫的上游區(qū)控制徑流面積為50.5km2，按徑流面積及空間分布、高程分布情況布設雨量站的原則，以及庫區(qū)降雨空間的分布情況來布設雨量遙測站。在流域范圍內設置2個遙測雨量站，收集流域的雨情。水庫樞紐區(qū)建遙測水位雨量站1個，自動測報庫水位及庫區(qū)雨情。在輸水隧洞出口明渠段建立出庫水位監(jiān)測站，采用全量浮子水位計測量渠道過水水位。水位數(shù)據(jù)通過遙測采集終端采集后，經(jīng)GPRS傳輸至分中心的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)。然后，經(jīng)軟件處理，計算輸水隧洞的出流量。在供水管安裝電磁流量計，測報供水流量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，遙測雨量站、庫水位雨量站、輸水洞出流站及供水流量站均為遙測站，遙測站實時采集相關水情數(shù)據(jù)，實時發(fā)送所測量的數(shù)據(jù)。

2.4 系統(tǒng)的工作體制與通信系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的工作方式一般可分為三種類型，分別是自報式、應答式和自報/應答兼容式。其中，自報式是測站自動采集并發(fā)送數(shù)據(jù)給中心，這種方式結構簡單，可靠性高、整體功耗低，但可能發(fā)生信號碰撞；應答式是中心召測、測站應答的工作方式，控制性較好，沒有信號碰撞的問題。但測站一直處于值守狀態(tài)，功耗較高；自報/應答兼容式具有兩種工作方式的功能，但功耗高的問題仍無法避免。

為提高系統(tǒng)可靠性和滿足防汛調度的需要，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和通信采用了自報式的工作體制。

在本系統(tǒng)中，遙測站的數(shù)據(jù)被集中傳送至水庫分中心站處理。

系統(tǒng)采用 GPRS作為主要水情遙測站的通信組網(wǎng)方案，在方便系統(tǒng)建設與統(tǒng)一傳輸水情數(shù)據(jù)的情況下，各水情遙測站通過移動公網(wǎng)與分中心站之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。GPRS移動通信的優(yōu)點較多，其不但建設成本低，而且后期的運營維護較為便捷，通信距離可不受限制。

2.5 水庫分中心站

紅谷田水庫水情自動測報系統(tǒng)分中心站是本水情測報系統(tǒng)的核心，是連接、接收、處理和遠程控制水情測報系統(tǒng)內測量站點的系統(tǒng)中心。分中心站能實時接收各遙測站的數(shù)據(jù)(包括人工置數(shù)信息)，然后做出合理性檢查、打印并存貯原始數(shù)據(jù)；同時，還可將收集的數(shù)據(jù)進行歸類并生成數(shù)據(jù)文件，可對數(shù)據(jù)文件進行查詢、插補和修正。在數(shù)據(jù)處理的過程中，可以進行圖表化處理，并顯示、打印、繪制各種表格與圖形。分中心站的水情硬件設備主要包括接收、處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的測控中心前置機、工作站、服務器等設備，以及交流隔離穩(wěn)壓電源、UPS 等供電保障設施。

分中心站計算機采用了B/S和C/S架構。水情采集工作站通過互聯(lián)網(wǎng)接收遙測站發(fā)來的數(shù)據(jù), 然后傳送給水情服務器。該水情服務器只連接內部局域網(wǎng)，不準許對外與互聯(lián)網(wǎng)連接, 即內、外網(wǎng)物理隔離。網(wǎng)絡結構采用以太網(wǎng)，網(wǎng)絡互聯(lián)使用TCP/IP 協(xié)議。分中心站的計算機監(jiān)測處理系統(tǒng)是一個開放式實時應用系統(tǒng)，其利用計算機虛擬前、后臺，從而完成所有數(shù)據(jù)的處理。

2.6 系統(tǒng)防雷措施

水情測報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理終端設備、GPRS 通信終端、計算機監(jiān)視設備、中心站機房、建筑物的設計均采取了防雷措施，且分中心站和遙測站的防雷措施均符合規(guī)范要求?？傮w上，水庫分中心站電源系統(tǒng)的防雷及過電壓保護采用三級防雷保護，各級的設置位置根據(jù)機房的配電情況進行了合理設置。同時，對遙測站的超短波通信設備等進行了信號防雷設置。

3 主要設備

3.1 雨量傳感器

本系統(tǒng)主要采用翻斗式雨量計作為遙測雨量站、遙測雨量水位站測量降雨的傳感器。翻斗式雨量計分辨率為0.5mm。

3.2 水位傳感器

本系統(tǒng)中選用全量式浮子式水位計測量水位數(shù)據(jù)。

3.3 超聲流量計

本系統(tǒng)采用TDS-100F超聲波流量計。

3.4 遙測站數(shù)據(jù)處理終端機

本系統(tǒng)遙測站使用 YDH-1 數(shù)傳遙測采集終端采集、處理和傳輸數(shù)據(jù)。

3.5 GPRS 移動通信終端

GPRS無線通信模塊能夠提供專用的網(wǎng)絡，以實現(xiàn)點對點、外圍設備間、外圍設備與中心節(jié)點之間的通信。

3.6 遙測站供電設備及交流電源避雷器

分中心站采用了不間斷電源(UPS)，容量為 3kW，供電時間為8h。遙測站采用太陽能蓄電池供電。交流電源避雷器采用國內穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。

4 結 語

紅谷田水庫水情測報系統(tǒng)的建設，對方便相關人員實時掌握水庫流域的雨情起到了積極作用。通過預報可提前知曉水庫的入庫水量，從而提前預泄水量，以保證水庫的安全運行。此外，通過積累的水情資料，復核水庫水文成果，可為水庫制定科學調度方案提供更可靠的水文資料。系統(tǒng)的主要任務是：當預報發(fā)生超標準洪水時，實時向下游發(fā)出洪水預警，并監(jiān)測上游水情。結合水情、暴雨預報情況，做好入庫洪水的監(jiān)測。在洪水達到警戒水位，洪峰到達之前，該系統(tǒng)具備與省防汛部門的連接功能。省、市、縣防洪部門依據(jù)上報的應急預案和應急機制，可迅速向下游可能受影響的各鄉(xiāng)村發(fā)布信息，及時組織人員撤離，從而保障人民的生命財產(chǎn)安全。